深冷处理对提高炭基薄膜膜基结合强度的作用及机理研究

Cryogenically treatment is a effective method to improve the mechanic properties of Structural metal materials,but it is rarely used in films,especially there are not people have done any study about how to improve the interface adhesion of film/matrix system by cryogenically treatment. Through our previous studies show that the mechanic properties such as interface adhesions of TiN/matrix and DLC/matrix were remarkably improved after cryogenically treatments for the first time, But the mechanisms are not still understanded.We think it is related closely to the interface densification , the diffusion of precipitated phase in interface and film, the residual stress relax in film/matrix systems.The aim of this project is to reveal this mechanisms. In our study TiN and DLC are selected as the basic study films, the main study items are as follows: 1) the evolution of phase transition and crystal defects during cryogenically treatment, as well as it's relationship with the stress relaxation of film/matrix system; 2)the effect of cryogenically treatment on film texture and interface structure of film/matrix; 3) modeling and simulation of theomo-phase transition-dynamics behaviour under cryogenically treatment process, as well as simulation of the magnitude and distribution of the residual stress in film/matrix system under cryogenically treatment process. This project will develop a new method to improve the the interface adhesion of hard-film and it's matrix.

深冷处理是改善金属结构材料力学性能的有效途径，但应用于功能薄膜的例子极为鲜见，特别是深冷处理对薄膜与基体的膜基结合强度的作用与影响尚无人研究。我们在前期研究中偶然发现，对TiN、DLC等薄膜及其膜基体系进行深冷处理后，可显著提高体系的膜基结合强度等力学特性。但其机理并不明确，我们推测：膜基结合强度的提高与深冷处理条件下界面结构致密化、元素析出及析出相在界面及薄膜中的扩散、膜基体系残余应力的驰豫有关。本课题将以TiN和DLC薄膜为基础，研究深冷处理对硬质薄膜及其膜基体系组织、结构和力学性能影响的共性，着重探讨深冷处理过程中薄膜及基体内部的相变过程、晶体结构缺陷的演变规律及与体系应力驰豫的关系，探讨深冷处理对薄膜织构及膜基界面结构的影响，建立深冷处理条件下膜基体系的热-相变-力学耦合问题分析的有限元模型，模拟计算深冷处理过程中膜基体系残余应力的大小和分布。为提高硬质薄膜膜基结合强度提供新思路。

1.项目研究背景.深冷处理是改善金属结构材料力学性能的有效途径，但应用于功能薄膜的例子极为鲜见，特别是深冷处理对薄膜与基体的膜基结合强度的作用与影响尚无人研究。本课题以TiN和DLC薄膜为基础，研究深冷处理对硬质薄膜及其膜基体系组织、结构和力学性能影响的共性，着重探讨深冷处理过程中薄膜及基体内部的相变过程、晶体结构缺陷的演变规律及与体系应力驰豫的关系，探讨深冷处理对薄膜织构及膜基界面结构的影响，为提高硬质薄膜膜基结合强度提供新思路。.2.主要研究内容.1)基体相变、元素析出的表面演化及对膜基界面结构的影响.2)薄膜内部组织结构、缺陷态的演变与残余内应力的驰豫.3)膜基体系残余应力状态.3.重要结果、关键数据及科学意义.揭示了深冷处理对提高金属基体及薄膜/金属基体复合体系力学性能特别是膜基界面结合强度的作用及微观机理。对于硬质合金类粉末冶金基体由于深冷条件下无相变产生，深冷处理通过对其内部孔隙等缺陷的弥合来改善其抗断裂韧性等力学性能；而对于高速钢、不锈钢等金属基体，由于深冷条件下相变的存在，在由此产生的附加应力的作用下，改变了内部及表面的应力状态，促使了内部组织结构的细化，同时还存在过饱和合金元素的析出，这些现象在基体表面的演化促进了薄膜/基体界面结合强度的提高。深冷处理对晶态薄膜具有明显的作用，深冷条件下应力诱导晶粒的细化及择优取向，有利于晶态薄膜综合性能的改善。深冷处理对非晶态薄膜的作用主要体现在对其内部空位等缺陷态减少，促进内部残余应力的释放等方面。本课题的实施，揭示了深冷处理对TiN及非晶碳膜膜基界面的作用及机理，在国际上首次将深冷处理应用于提高硬质薄膜膜基结合强度上。薄膜与基体的结合强度的提高是一个世界性难题，近二三十年来还没有出现更新的有价值的方法，本课题的实施，为此提供了一个崭新的思路，具有重要的理论和实际研究价值。